基于CAE的卡瓦对钻杆造成的咬痕分析
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《 工业控制计算机｝ ２ ０ １ ４年 第 ２ ７卷 第 ５期
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基于 Ｃ Ａ Ｅ的卡瓦对钻杆造成的咬痕分析
Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ Ｓｌ ｉ ｐ Ｂｉ ｔ ｅ －ｍａ ｒ ｋ ｏｎ Ｄｒ ｉ ｌ ｌ － ｓ ｔ ｒ ｉ ｎ ｇ Ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ＣＡＥ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｉ ｑｕ ｅ
载荷 为 Ｑ 时 与 径 向临 界 载 荷 Ｐ． （ 保 持 平 衡 所 需 的最 小 径 向载 荷 ） 的 比值 为 当 量摩 擦 因数 ， 即
Ｑ ／ Ｐ 临 ｌ 。显 然 ，卡 瓦 卡 住 钻杆 时 ， ・ Ｐ≥ Ｑ＝ Ｐ ／ Ｋ， 则 ： 图 ２ 牙板受力 图
＝
卡 瓦 主 要 是 通 过 卡 瓦 体 与 补 心 配 合 ，给 卡 瓦 牙 施 加 一 个 横 向 载 荷 使 其 咬人 钻 杆 表 层 ， 通 过 摩 擦 力 克 服 钻 杆 的重 力 载 荷 ］ 。
陈 晓君 王 秀梅 沈瑞 东 刘 洋 （ 上海大学机电工程与 自 动化 学院， 上海 ２ ０ ０ ０ ７ ２ ）
摘 要
钻 杆 卡 瓦是 在 钻 井起 下 钻 过程 中用 到 的 一种 重要 的 井 口工 具 ， 针 对卡 瓦 夹持 对 钻 杆 表 面 造 成 牙痕 的 问题 ， 对 卡 瓦 夹持 钻 杆 进 行 受力 分 析 ， 结 合 弹 塑性 力 学 与接 触 力 学相 关理 论 ， 分 别 考 虑 卡 瓦 牙 的 材 料 强度 与 钻 杆 的 材 料 强度 ， 计 算得 出 夹 持 不 同悬 重 的 钻 柱 ， 卡 瓦 牙在 钻 杆 表 面产 生 的 牙 痕 深 度 的 范 围。利 用 Ｃ ＡＥ有 限元 进 行 仿 真 分 析 ， 得 到 牙痕 深 度 随 悬重 的 变化
钻 杆 卡 瓦 是 在 钻 井起 下 钻 作 业 过 程 中用 到 的一 种 非 常 重 要 的 井 口工 具 。在 卡 瓦 的作 用 下 ， 卡 瓦 牙 将 在钻 杆 表 面 留下 作 业损
横 向 载荷 系数 表 示 卡 瓦牙 板 作 用 在 钻 杆 上 径 向 力 与 钻 杆 轴
伤， 产生牙痕。 这 不 仅 会 降低 钻 杆 的疲 劳强 度 ， 严 重 时还 将 导 致 钻 杆失效。 其 中， 牙 痕 的深度 是 影 响 钻 杆疲 劳 强 的 重要 参 数 之一受力 如 图 ２所 示 ， 卡 瓦牙 板 与 钻 杆 之 间的摩擦力 Ｆ ， 卡 瓦 牙 板 与 卡 瓦体 之 间 的摩 擦
力Ｆ ２ ＝ ・ Ｐ （ Ｐ ＝ Ｐ ） ， 卡 瓦 体 下 部 台 阶 上 的支 承 反 力 Ｎ＝ Ｆ ， 一 Ｆ 。 卡 瓦 卡住 钻 杆 时 ， Ｆ １ ＝ Ｑ。 设 钻 杆
过 牙 痕 的 深度 可 以判定 卡瓦 对 钻 杆损 伤 的 程 度…。 而 目前 ， 国 内关 于 卡 瓦对 钻 杆 造 成 咬痕 的研 究较 少 ， 其 相关 研 究 主 要 偏 向于 对卡 瓦 牙 几何 参 数 的设 计 。对 于 咬 痕 的深 度 问题 ， 也 仅 仅 只 考 虑 到 了 卡 瓦 牙 的强 度 ，而 未 考 虑 卡 瓦 与钻 杆 的 作 用 过 程 以及 钻 杆 的强 度 。因 此 ， 有必 要 对 卡 瓦 夹持 钻 杆 产 生 牙痕 进 行分 析 。 １ 卡 瓦夹 持 钻 杆 受 力 分 析
Ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏｎ ｔ ｈ ｅ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ａｎ ａｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｄｒ ｉ ｌ ｌ －ｓ ｔ ｒ ｉ ｎ ｇ ｈ ｏｉ ｓ ｔ ｅ ｄ ｂｙ ｔ ｈ ｅ ｓ ｌ ｉ ｐ ａｎ ｄ ｐｌ ａｓ ｔ ｉ ｃｉ ｔ ｙ ｍｅｃ ｈａ ｎｉ ｃ ｓ ａｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏｎ ｔ ａｃ ｔ ｍｅｃ ｈ ａｎ ｉ ｃ ｓ ，
规 律 。 通 过 比较 计 算 出的 牙 痕 深度 与现 场 实 际观 测 的 牙痕 深 度 可 知 ， 在 实际的工作状态下 ， 卡 瓦 力是 非 均 匀 地 分 布 在 钻 杆
卡 瓦 夹持 区 上 的 。
关 键词 ： 钻 井卡 瓦 ， 卡瓦咬痕 ， Ｃ Ａ Ｅ ， 有 限元 分析
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａｃ ｔ
ｃ ｏｎ ｓ ｉ ｄｅ ｒ ｂｏｔ ｈ ｓ ｌ ｉ ｐ Ｓ ｔ ｏｏ ｔ ｈ ｓ ｔ ｒ ｅｎ ｇｔ ｈ ａ ｎｄ ｐｉ ｐ ｅ ｓ ｔ ｒ ｅｎ ｇｔ ｈ， ｆ ｉ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｒ ａ ｎｇ ｅ ｏｆ ｓ ｌ ｉ ｐ ｂｉ ｔ ｅ—ｍ ａ ｒ ｋ ｄｅｐ ｔ ｈ ｓ ｗｉ ｔ ｈ ｄｉ ｆｅ ｒ ｅ ｎｔ ｄｒ ｉ ｌ ｌ —ｓ ｔ ｒ ｉ ｎ ｇ
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ｗｅ ｉ ｇ ｈ ｔ ． Ｕ ｓ ｅ ｆ ｉ ｎ ｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｆ ｉ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｇ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｇ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｍａ ｒ ｋ ｄ ｅ ｐ ｔ ｈ ｓ ｗｉ ｔ ｈ ｄ ｒ ｉ ｌ ｌ — ｓ ｔ ｒ ｉ ｎ ｇ ｗｅ ｉ ｇ ｈ ｔ ． Ｃｏ ｍｐ ａ ｒ ｅ ｔ ｈ ｅ
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基于 Ｃ Ａ Ｅ的卡瓦对钻杆造成的咬痕分析
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陈 晓君 王 秀梅 沈瑞 东 刘 洋 （ 上海大学机电工程与 自 动化 学院， 上海 ２ ０ ０ ０ ７ ２ ）
摘 要
钻 杆 卡 瓦是 在 钻 井起 下 钻 过程 中用 到 的 一种 重要 的 井 口工 具 ， 针 对卡 瓦 夹持 对 钻 杆 表 面 造 成 牙痕 的 问题 ， 对 卡 瓦 夹持 钻 杆 进 行 受力 分 析 ， 结 合 弹 塑性 力 学 与接 触 力 学相 关理 论 ， 分 别 考 虑 卡 瓦 牙 的 材 料 强度 与 钻 杆 的 材 料 强度 ， 计 算得 出 夹 持 不 同悬 重 的 钻 柱 ， 卡 瓦 牙在 钻 杆 表 面产 生 的 牙 痕 深 度 的 范 围。利 用 Ｃ ＡＥ有 限元 进 行 仿 真 分 析 ， 得 到 牙痕 深 度 随 悬重 的 变化
钻 杆 卡 瓦 是 在 钻 井起 下 钻 作 业 过 程 中用 到 的一 种 非 常 重 要 的 井 口工 具 。在 卡 瓦 的作 用 下 ， 卡 瓦 牙 将 在钻 杆 表 面 留下 作 业损
横 向 载荷 系数 表 示 卡 瓦牙 板 作 用 在 钻 杆 上 径 向 力 与 钻 杆 轴
伤， 产生牙痕。 这 不 仅 会 降低 钻 杆 的疲 劳强 度 ， 严 重 时还 将 导 致 钻 杆失效。 其 中， 牙 痕 的深度 是 影 响 钻 杆疲 劳 强 的 重要 参 数 之一受力 如 图 ２所 示 ， 卡 瓦牙 板 与 钻 杆 之 间的摩擦力 Ｆ ， 卡 瓦 牙 板 与 卡 瓦体 之 间 的摩 擦
力Ｆ ２ ＝ ・ Ｐ （ Ｐ ＝ Ｐ ） ， 卡 瓦 体 下 部 台 阶 上 的支 承 反 力 Ｎ＝ Ｆ ， 一 Ｆ 。 卡 瓦 卡住 钻 杆 时 ， Ｆ １ ＝ Ｑ。 设 钻 杆
过 牙 痕 的 深度 可 以判定 卡瓦 对 钻 杆损 伤 的 程 度…。 而 目前 ， 国 内关 于 卡 瓦对 钻 杆 造 成 咬痕 的研 究较 少 ， 其 相关 研 究 主 要 偏 向于 对卡 瓦 牙 几何 参 数 的设 计 。对 于 咬 痕 的深 度 问题 ， 也 仅 仅 只 考 虑 到 了 卡 瓦 牙 的强 度 ，而 未 考 虑 卡 瓦 与钻 杆 的 作 用 过 程 以及 钻 杆 的强 度 。因 此 ， 有必 要 对 卡 瓦 夹持 钻 杆 产 生 牙痕 进 行分 析 。 １ 卡 瓦夹 持 钻 杆 受 力 分 析
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